【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】電磁波污染和熱損傷對精密儀器，尤其是在航空航天領(lǐng)域，構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。功能性氣凝膠因其吸收電磁波和隔絕熱量的特性，提供了一種具有良好前景的解決方案。然而，優(yōu)化這兩種特性時常面臨著一個以往研究中常常被忽略的矛盾：熱防護(hù)效果與材料厚度呈正相關(guān)，而電磁波吸收只能在特定厚度下達(dá)到最佳效果(圖1)。因此，目前的研究難以同時實(shí)現(xiàn)電磁波吸收效率和熱防護(hù)效果的平衡。
 

圖1.電磁波吸收和熱防護(hù)優(yōu)化策略之間的矛盾。
 

　　為了解決電磁波吸收與熱防護(hù)性能共同優(yōu)化中的關(guān)鍵沖突，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊提出一種雙重防護(hù)材料的設(shè)計策略：i) 高孔隙率，以促進(jìn)電磁波的多次反射和散射；ii) 衰減常數(shù)(??)與阻抗匹配(Z)之間的良好平衡；iii) 通過改變壓縮厚度來調(diào)節(jié)導(dǎo)電性和電磁參數(shù)的能力；iv) 在高應(yīng)變下具有可靠的結(jié)構(gòu)魯棒性和耐久性；v) 各向異性熱導(dǎo)率，包括垂直方向(與層狀方向垂直)的超低導(dǎo)熱率和對齊方向(與層狀方向平行)的較高導(dǎo)熱率。鑒于此，研究人員設(shè)計并制備了一種兼?zhèn)鋭討B(tài)電磁波吸收性能和熱防護(hù)的功能碳彈簧(functional carbon spring,FCS)氣凝膠材料。相關(guān)研究成果以“Functional Carbon Springs Enabled Dynamic Tunable Microwave Absorption and Thermal Insulation”為題發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)材料》上 (Adv. Mater.2024, 36,2412605)。該論文的共同第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士后王澤宇、博士研究生李博和西北工業(yè)大學(xué)博士研究生李朝晨，通訊作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士、朱銀波副教授和西北工業(yè)大學(xué)葉昉副教授。
 

　　FCS獨(dú)特的仿足弓長程層狀多拱微觀結(jié)構(gòu)使其電磁波吸收性能可調(diào)，并具備優(yōu)異的熱防護(hù)能力。通過調(diào)整壓縮應(yīng)變從0%到50%，該材料的可調(diào)有效吸收帶寬可達(dá)13.4 GHz，覆蓋了測量頻譜的84%。值得注意的是，在75%應(yīng)變時，吸收帶寬降至0 GHz，展現(xiàn)出新穎的吸波“開-關(guān)”切換能力。其超低的垂直熱導(dǎo)率(12.7 mW m−1K−1)和“面內(nèi)高熱導(dǎo)，面外低熱導(dǎo)”的各向異性熱傳導(dǎo)機(jī)制賦予FCS卓越的熱防護(hù)效果。數(shù)值模擬表明，F(xiàn)CS在熱防護(hù)方面優(yōu)于常見的蜂窩結(jié)構(gòu)和各向同性多孔氣凝膠。此外，研究人員建立了“電磁-熱”雙重保護(hù)材料數(shù)據(jù)庫，直觀展示了該材料和設(shè)計策略的優(yōu)越性。
 

　　圖2.a) FCS的可調(diào)的電磁波吸收性能與優(yōu)異的熱防護(hù)能力。b)“電磁-熱”雙重保護(hù)材料數(shù)據(jù)庫。

 

　　這項研究闡明了限制具有優(yōu)越電磁波吸收和熱防護(hù)特性的多功能氣凝膠材料發(fā)展的沖突，進(jìn)一步提出了一個新的設(shè)計范式。此外，所提出的隔熱材料數(shù)據(jù)庫和“電磁-熱”雙重保護(hù)材料數(shù)據(jù)庫也為直觀的性能比較提供了標(biāo)準(zhǔn)。
 

　　該工作得到新基石研究員項目、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略型先導(dǎo)科技專項基金、國家自然科學(xué)基金重大項目、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、安徽省重大基礎(chǔ)研究項目等資助，以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心的支持。